• Non ci sono risultati.

The effect of different process configurations on the performance and cost of potassium taurate solvent absorption

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Condividi "The effect of different process configurations on the performance and cost of potassium taurate solvent absorption"

Copied!
30
0
0

Testo completo

(1)

* Corresponding author. minh.ho@sydney.edu.au

The effect of different process configurations on the performance

and cost of potassium taurate solvent absorption

Minh T. Ho

1*

, Enrique Garcia‐Calvo Conde

1

, Stefania Moioli

2

 and Dianne E. Wiley

1  3  1.School of Chemical and Biomedical Engineering, The University of Sydney, Sydney Australia  4  2. Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “G. Natta”, Politecnico di Milano, Piazza Leonardo da Vinci 32, I‐20133 Milano, Italy 

 

Abstract 

 

The main method of capture of CO2 in industry is the use of solvents for CO2 absorption in post‐

10 

combustion capture and the benchmark solvent is monoethanolamine (MEA). However, it presents  11 

a few disadvantages such as having a high energy requirement while also being corrosive and toxic.  12 

Potassium  taurate  (K‐Tau)  is  a  solvent  with  the  potential  to  replace  MEA  because  it  has  similar  13 

reaction  rates,  high  cyclic  loading,  degradation  resistant  and  most  importantly,  low  energy  14 

requirement.   15 

The  objective  of  this  study  was  to  compare  and  evaluate  the  effect  of  different  process  16 

configurations  on  the  reboiler  duty  for  the  precipitating  potassium  solvent  absorption  process.  17  Utilising a baseline potassium taurate process, different process configurations were developed in  18  Aspen Plus. These are a cold rich bypass (CRB) of the rich solvent stream to the stripper and a solid‐ 19  liquid separator. The results show that the modified configurations reduce the reboiler duty of the  20 

potassium  taurate  process  by  approximately  12%  through  the  reduction  in  sensible  heat  and  21  vaporization duty.   22    23  Keywords: Potassium taurate, CO2 capture, Stripper configurations   24 

(2)

2

1. Introduction  

25 

Traditionally,  chemical  absorption  by  amine  solvent  is  used  to  remove  acid  gases  (Kohl  and  26  Nielsen, 1997). Recently, alternative solvents have been investigated for possible application to CO2  27  including amino acid solvents (Aronu et al., 2013, Lerche, 2012, Majchrowicz, 2014, Majchrowicz et  28  al., 2009, Simons et al., 2010, Vaidya et al., 2010, van Holst et al., 2009). This class of solvent may be  29  advantageous in comparison with traditional amines due to the solid precipitation, which, according  30  to the Le Chatelier’s principle, favours the absorption of carbon dioxide and therefore enhance the  31  overall process. Among several types of amino acids that can be used, potassium taurate is one of  32  the promising solvents.   33 

Potassium  taurate  reacts  with  CO2 (R1) to  form  a  carbamate  ion  in  solution  and  a  zwitterion 

34 

which precipitates as a result of its limited solubility.   35 

CO K CO aq H O aq ↔ 2KHCO aq (R1)

potassium carbonate potassium bicarbonate

The process is described by two main reactions (Sanchez‐Fernandez et al., 2014, Raksajati et al.,  36  2016):  37  CO2 absorption reaction:   38    39 

CO 2 OOC R NH aq ↔ ¯OOC R NH COO aq ¯OOC R NH aq   (R2) 

  amine  Carbamate  Zwitterion 

  40  Protonated amine (zwitterion) precipitation:   41    42  ¯OOC R NH aq ↔ COOH R NH s   (R3)    43 

(3)

3

According  to  R2,  most  of  the  absorbed  CO2  takes  the  form  of  a  carbamate  ion.  The  CO2 

44 

absorption  reaction  implies  that  for  every  molecule  of  absorbed  CO2,  one  carbamate  ion  and  one 

45  zwitterion are formed (Brouwer et al., 2005).  46  Fundamental research on the use of potassium taurate as a solvent for the capture of CO2 started  47  with initial publications on studies to assess the equilibrium solubility of CO2 in aqueous solutions of  48 

potassium  taurate.  In  a  series  of  experimental  works,  Kumar  et  al.  (2003a)  published  the  49 

crystallisation  characteristics  of  CO2,  the  vapour‐liquid  equilibrium  data  (Kumar  et  al.,  2003b)  and 

50  the reaction kinetics of CO2 and potassium taurate (Kumar et al., 2003c). Following research studies  51  covered the investigation of the physical and thermodynamic properties of potassium taurate (Han  52  et al., 2012, Aronu et al., 2013, Wei et al., 2013, Wei et al., 2014). Various publications extending  53  the knowledge on the solubility  (Wei et al., 2013, Wei et al., 2014, Sanchez‐Fernandez et al., 2013b,  54 

Sanchez‐Fernandez  and  Goetheer,  2011),  absorption  kinetics  and  reaction  rates  of  potassium  55 

taurate in the presence of CO2 (Aronu et al., 2013) were published in the following years .  

56 

The  precipitating  nature  of  potassium  taurate  requires  various  adaptations  to  the  traditional  57 

absorber‐stripper equipment design employed in non‐precipitating systems (Brouwer et al., 2005).  58 

Therefore,  employing  process  equipment  capable  of  handling  solid  material  contributes  towards  59 

achieving the potential that precipitating systems present to reduce energy consumption and cost.  60 

In  2003,  Versteeg  et  al.  (2003)  developed  the  first  patented  enhanced  CO2  absorption  process 

61  intended to handle precipitating solids, which was later named DECAB (Versteeg et al., 2003, Feron,  62  2016).   63  1.1. Objectives 64 

In  this  paper,  the  objective  is  to  provide  a  preliminary  assessment  of  the  potassium  taurate  65 

system  for  post‐combustion  capture,  as  well  as  to  compare  and  evaluate  the  effect  of  different  66 

process configurations on the performance of the process.    67 

(4)

4

2. Methodology 

68  2.1. Case studies 69  The techno‐economic modelling of this study has been limited to the recovery section of the CO2  70 

capture  process,  as  represented  in  Figure  1.  Analyses  of  the  costs  of  the  upstream  flue  gas  71 

scrubbing  section  and  downstream  CO2  purification  have  not  been  included  in  the  analysis. 

72 

Similarly, transportation and storage of the captured CO2 has not been included. CO2 compression 

73  for transport is not included in the technical or general economic analysis in this study. However, to  74  be consistent with previous studies, the final avoided capture costs and net energy penalty includes  75  this component (CO2 is compressed to 110 bar).   76    77  Figure 1 Boundary of the study; encompassing only the absorption, heat exchange and desorption   78  The case study used for the analysis focuses on post‐combustion removal of CO2 from a 500 MW  79 

coal‐fired  power  plant.  The  wet  flue  gas  entering  the  absorption  process  is  assumed  to  be  at  a  80 

temperature of 313.15 K and a pressure of 1.01 bar, with a CO2 composition of 13% mol, 5% mol O2, 

81 

7% mol H2O and 75% mol N2. The flowrate of the wet flue gas is 19.6 kmols/s. It is assumed that the 

82 

flue gas is free of any NOx, SOx and ash contents. The CO2 recovery is assumed to be 90%. The CO2 

83 

emission from the reference power plant is 0.88 t/MWh.   84 

Detailed  descriptions  of  the  potassium  taurate  process  can  be  found  in  (Moioli  et  al.,  2017,  85  Raksajati et al., 2016, Sanchez‐Fernandez, 2013).   86  Utilising the baseline process simulation originally developed by Moioli et al. (Moioli et al., 2017)  87  and shown in Figure 2, this study adapted the process for the following configurations:  88  Cold rich bypass (CRB) of the rich solvent stream to the stripper (  89 

(5)

5

a) Figure  3)–  the  CO2‐rich  solvent  stream  out  of  the  split,  with  one  stream  heated  in  the 

90 

cross  heat  exchanger  while  the  other  stream  is  not  heated.  The  CRB  split  fraction  into  91 

the stripper is also varied.   92 

b) Addition of a solid‐liquid separator (SLS) (Figure 4) – the CO2 rich solvent stream passes 

93 

through  a  hydrocyclone  to  create  a  solid  rich  slurry  (underflow)  and  liquid  stream  94 

(overflow).  The  underflow‐to‐total‐flow  split  ratio  (U/T)  is  set  at  0.8  (Raksajati  et  al.,  95  2016).   96  c) Combination of both the CRB and SLS configurations (Figure 5).  97    98    99  Figure 2 Process flow diagram of the Baseline potassium taurate process   100    101 

(6)

6   102    103  Figure 3 Process flow diagram for the cold rich bypass (CRB) configuration  104    105  Figure 4 Process flow diagram for the hydrocyclone (solid‐liquid separation, SLS) potassium taurate process  106 

(7)

7   107  Figure 5 Process flow diagram of the combined CRB/SLS potassium taurate process  108  2.2. Process modelling 109 

This  study  uses  the  model  developed  by  Moioli  et  al.  (2018)  for  the  baseline  analysis.  Details  110  outlining the development of the model can be found in (Moioli et al., 2017, Moioli et al., 2018). In  111  this model all the electrolyte species not present by default in the Aspen software and the proper  112  thermodynamics of the system have been taken into account. The absorber and stripper were both  113  modelled with the RADFRAC column run in rate‐based mode taking into account the mass and heat  114  transfer resistances in ASPEN Plus®(AspenTech, 2014).   115  In the absorber, the unit is a RadFrac column assumed to operate adiabatically. The unit follows a  116  non‐equilibrium mass transfer rate‐based calculation related to the direct and backward reactions  117 

for  formation  of  carbamate  and  to  the  forward  and  backward  reactions  for  formation  of  118  bicarbonate where the following set of reactions take place:   119  TAUH H O ↔ TAURINE H O (R4) 2 H O ↔ H O OH (R5) HCO H O ↔ CO H O (R6)

(8)

8 CO OH → HCO (R7) HCO → CO OH (R8) CO TAU H O → CARBAM H O (R9) CARBAM H O → CO TAU H O (R10) TAURINE H O ↔ TAU H O (R11) 120  As the precipitation reaction cannot be declared when the RADFRAC simulation is run in the rate‐ 121  based mode, the absorber unit cannot simulate the formation of solids. However, the effects which  122  the formation of a solid phase have on the process have been accounted for by (1) modifying the  123 

chemical  equilibrium  data  (2)  adding  a  fictitious  flash  unit  which  estimates  the  amount  of  solid  124 

taurine formed. The full details of this Aspen modelling approach have been detailed in Moioli et al.  125 

(2018).  126 

The  stripper  has  been  modelled  as  a  RadFrac  column  composed  of  20  stages,  including  the  127 

condenser  and  reboiler,  and  using  a  non‐equilibrium  mass  transfer  rate‐based  calculation.  The  128 

stripper  operates  at  a  pressure  of  1.8  bar.  The  CO2  rich  stream  enters  the  desorption  unit  at  the 

129 

second stage, while the released CO2 and lean solvent leave at the top and at the bottom stages, 

130 

respectively.  The reflux ratio selected for the condenser is 0.8, while the bottoms to feed ratio has  131 

been  specified  to  be  0.986,  both  specifications  on  a  mole  basis.  The  temperature  of  the  stream  132  leaving the reboiler has been specified to be 120 oC, while the temperature at the top stage of the  133  unit has been specified to be 40 oC .  134  The cross heat exchanger has been set with a temperature difference of 10 oC and a minimum  135 

temperature  approach  of  10 oC  .  The  overall  heat  transfer  coefficient  remains  constant  at  850 

136 

W/m2K.  

(9)

9 .   138  Table 1 summarises the properties of absorber and stripper for the Baseline potassium taurate  139  process.   140  Table 1 Properties of absorber and stripper for the K‐Tau baseline process  141 

Properties   Absorber   Stripper  

Inlet temperature of gas stream [oC]  40   ‐ 

Inlet temperature of solvent stream [oC]  40   108 

Lean loading  0.27  ‐ 

Calculation type   Rate‐Based   Rate‐Based  

Number of stages   20   20  

Condenser   ‐  Partial Vapour  

Reboiler   ‐  Kettle  

Reboiler temperature [oC]  ‐  120  

Pressure [bar]  1  1.8  

Packing type   Mellapak Standard 250X  Mellapak Standard 250X 

Section diameter [m]  20.7   16.6  Packing height  [m]  20   17.6  CO2 lean stream flowrate [kton/hr]    16.5   16.5    142  2.3. Economic assumptions 143 

Table  2  summarises  the  key  economic  assumptions  used  in  this  paper.  Further  details  about  the  144 

cost assumptions for cooling water, electricity and solvent can be found in Raksajati et al. (2016).  145 

Costs for LP steam are plant specific as these are based on the efficiency penalty occurring when LP  146 

(10)

10 steam is extracted from IEAGHG (2014). In this study, LP steam is assumed to be available at 3.5 bar  147  with no pressure drop between the extraction point and the reboiler. Estimation of the steam cost  148  has been extracted from NETL (2015).  149  Table 2 Key economic assumptions  150  Cost year  2016  Real yearly discount rate   7%   Plant lifetime  25 years  Construction year   40% completion in year 1 and remaining in year 2  Capacity factor   85%   Currency  USD  Water makeup  $1.8/kL  Cooling water  $0.345/GJ  Low pressure steam  $0.008/kg   Solvent  $3/kg  Electricity  $42/MWh 

The  capture  plant  is  assumed  to  be  an  nth‐of‐a‐kind  (NOAK)  system.  This  assumption  has  a 

151 

considerable  impact  on  the  capture  cost  assumptions  ‐  such  as  contingencies  ‐  as  NOAK  systems  152 

achieve  cost  reductions  due  to  the  experience  gained,  which  reduces  estimation  uncertainty  (Al  153 

Juaied and Whitmore, 2009).   154 

The overall capital cost has been estimated using Turton’s Module Costing Technique (MCT) and  155 

the  methodology  employed  in  CCS  techno‐economic  reports  by  IEAGHG  (Turton  et  al.,  2008,  156 

IEAGHG,  2014).  The  equipment  costs  estimated  for  the  absorption  process  include  the  absorber,  157 

stripper,  reboiler,  cross  heat  exchanger,  coolers  and  condensers,  pumps  and  blowers,  dissolution  158 

heater exchanger and hydro‐cyclone (for the SLS case). General equipment such as storage facilities,  159 

valves,  secondary  pumps  were  estimated  as  30%  of  the  sum  of  the  cost  of  the  total  purchased  160 

(11)

11

equipment.   Table 3 summarises the breakdown in the capital cost calculations, where A, B1, B2, FP 

161 

and FM are parameters for each item of equipment, with FP depending on the pressure and FM on 

162 

the material of construction.  163 

Table 3 Itemised cost factors

164  Capital cost element    Sum of preceding items  Purchase Equipment Cost (PEC)  A    Bare Erected Cost  B  B f A, B , B , F , F   Project Contingencies  C  10% of B  Process Contingencies  D  30% of B  Total Plant Cost  E  B+C+D  Inventory Capital   F  0.5% of E  Pre‐production   G  2% of E  Owner’s cost   H  7% of E 

Total Capital Requirement  I  E+F+G+H 

The  operating  costs  include  fixed  costs  such  as  maintenance,  labour,  administration  and  165 

insurance.  Variable  operating  costs  comprise  cooling  water  for  the  coolers,  make  up  water  for  166  losses in the solvent cycle, solvent, electricity for pumps and steam cost for the reboiler (Table 2).    167  Cost of capture is calculated for both the amount of CO2 captured and avoided:  168  169  USD t CO captured NPV of project costs NPV of captured CO Eq. 1 170 

(12)

12 USD t CO avoided NPV of project costs NPV of avoided CO Eq. 2  

 

171 

(13)

13

3. Results and Discussion 

172 

3.1. Variations in the Cold Rich Bypass fraction

173 

Figure  6  shows  the  reboiler  and  condenser  duties  with  variations  in  the  cold  rich  bypass  split  174 

fraction into the stripper i.e. the fraction of the stream out of the absorber that bypasses the cross  175 

heat exchanger and is sent directly to the stripper. The cases shown are for where the cold bypass is  176 

fed  into  stage  2  and  the  CO2  rich  stream  is  fed  into  stage  10.  The  change  in  the  split  was 

177  investigated to see its interaction with the overall process and in particular, the reboiler duty. The  178  split was varied from 1% to 15%. Figure 6 shows that the reboiler duty reduces as the amount of  179  cold bypass increases from zero to 0.12, with the lowest reboiler duty and corresponding condenser  180  duty becoming constant beyond 0.12. Using this split ratio, the stages at which the cold bypass and  181  hot CO2 rich stream are fed into the stripper is also varied (Figure 7). The analysis shows that the  182  lowest reboiler duty occurred when the cold bypass is feed into stage 4, and the CO2 rich stream is  183 

feed  into  stage  16.  The  subsequent  results  for  the  CRB  and  CRB‐SLS  cases  are  based  on  this  184 

scenario.   185 

  186 

(14)

14   187  Figure 6 Reboiler and condenser duties as a function of the percentage of the CRB split fraction selected  188  (cold bypass fed into stage 2, hot CO2 rich stream fed into stage 10)  189    190  Figure 7 Change in reboiler duty at different stages of the stripper at CRB of12%  191  0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 C ondeser Dut y [M W ] Reb oiler Du ty [MW ]

% Cold Rich Bypass

Reboiler Duty Condenser Duty

396 398 400 402 404 0 1 2 3 4 5 Reboiler  duty [MW] Cold bypass into stripper stage  CO2rich  stream into  ‐ stage 10 ‐ stage 16

(15)

15  

192 

3.2. Comparison of performance of different configurations

193  Table 4 Key technical outputs for three potassium taurate cases  194  Process parameter  Baseline  CRB  SLS  CRB‐SLS  Reboiler duty [MWth]  454  401  398  393 Total heat duty [GJ/t CO2]   6.06  5.54  5.30  5.25  Reboiler duty [GJ/t CO2]   4.50  3.97  3.94  3.89  Dissolution heat exchanger [GJ/t CO2]   1.56   1.57  1.36  1.36  Condenser cooling duty [GJ/t CO2]   0.78  0.25  0.86  0.24  Total cooler duty [GJ/t CO2]   5.73  5.74  5.45  6.01  Cross heat exchanger duty [GJ/t CO2]   5.20  5.22  5.65  5.08  Total pumping duty [MW/t CO2]   1.03  1.04  1.16  1.16  Total energy penalty (excluding compression)  [MWe]  115.3  105.5  101.2  100.3  Total energy penalty (including compression)  [MWe]  149.3  139.5  135.2  134.3  Total energy penalty (%)  29.9%  27.9%  27.0%  26.9%  CO2 rich solvent flowrate out of absorber  [kton/hr]  16.8  16.8  20.3  20.3  Solvent working capacity [mol CO2/mol  solvent]  0.16  0.16  0.12  0.12  CO2 rich loading [mol CO2/mol solvent]   0.43  0.43  0.42  0.42  Temperature of rich solvent at stripper inlet  [oC]   108  111  110  110  Temperature at top of the absorber [oC]   56.7  56.7  51.9  52.9  Boil‐up rate (kgmols/s of water)  3.56  3.11  3.10  3.06 

(16)

16

Table  4  summaries  the  key  technical  outputs  for  the  three  potassium  taurate  cases  evaluated.  195 

The results show that the Baseline case study has the highest total heat duty, with 75% of the total  196 

heat  duty  attributable  to  the  reboiler,  while  the  remaining  comes  from  the  dissolution  heat  197 

exchanger.  In  the  CRB  case,  the  reboiler  and  thus  total  heat  duty  reduce  by  about  12%  from  the  198 

Baseline decreasing from 4.5 GJ/t CO2 to 3.97 GJ/t CO2. According to Eisenberg and Johnson (1979), 

199 

the split configuration maximizes the recovery of heat from the heat lean solvent.  This is because a  200 

cold  bypass  configuration  means  that  a  smaller  rich  stream  flowrate  enters  the  cross  heat  201 

exchanger  (which  can  also  be  heated  to  higher  output  temperature)  resulting  in  a  lower  sensible  202  heat duty. Also, in the CRB case, the reboiler duty reduces because of reductions in the vaporisation  203  duty as shown by the boil‐up rate decreasing from 3.56 to 3.11 kmols/s. A significant reduction is  204  also observed for the condenser duty in this case, decreasing from 0.78 GJ/t CO2 to 0.25 GJ/t CO2.  205 

This  arises  because  introduction  of  the  cold  bypass  into  the  top  of  the  stripper  reduces  the  206 

temperature  of  the  vapour  fraction  at  the  top  stage  and  the  corresponding  work  required  by  the  207 

condenser  (Figure  8).  The  cold  bypass  acts  as  a  cooling  source,  condensing  some  of  the  rising  208  stripping steam and thus aiding the condenser. An additional benefit of using a CRB is the enhanced  209  desorption of CO2 observed for the top part of the column. This is shown in Figure 9, which presents  210  the K‐values for CO2. The K‐values, represent the vapor‐liquid phase equilibrium values at the stage  211  interface. The desorption of CO2 is substantially enhanced in the upper stages of the stripper due to  212 

the  drop  in  temperatures.  The  results  suggest  that  the  top  section  of  the  stripper  is  operating  at  213 

much higher desorption efficiencies than the other lower stages.    214 

(17)

17   215  Figure 8 Steam composition and temperature profiles in the stripper  216    217  Figure 9 Vapor‐liquid K‐values for CO2 in each stage of the stripper  218  400 800 1200 1600 2000 Conde nser 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Re boil e r K‐values Stage number Baseline CRB SLS CRB/SLS 0 20 40 60 80 100 120 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Condenser 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Reboiler [ºC] y,steam  [mol/mol] Stage number Baseline y,steam CRB y,steam Baseline T CRB T

(18)

18

For  the  SLS  case,  the  total  heat  duty  is  less  than  both  the  Baseline  and  CRB  cases,  with  lower  219 

duties  arising  in  the  dissolution  heat  exchanger  and  reboiler.    This  is  caused  by  the  interactions  220 

between  the  pH  of  the  system  and  the  partial  pressure  of  CO2,  which  is  the  driving  force  of  the 

221 

desorption  process.  When  the  CO2  rich  stream  is  sent  to  the  hydrocyclone  unit,  the  supernatant, 

222 

which  is  basic  as  it  is  rich  in  potassium  counter‐ions,  is  separated  from  the  slurry.  The  removal  223 

reduces  the  concentration  of  the  potassium  ions  and,  as  a  result,  the  pH  of  the  system  also  224 

decreases.  As  outlined  in  Sanchez‐Fernandez  et  al.  (2013a),  a  lower  pH  in  the  stripper  feed  225 

translates to a higher partial pressure of CO2, facilitating the CO2 desorption resulting in lower heat 

226  of absorption and water vaporization duty. Although a reduction in reboiler duty is observed for the  227  SLS compared to the Baseline, there is no real difference when compared to the CRB case. This is  228  because in the SLS case, due to the presence of the hydrocyclone, the flowrate of the CO2 rich slurry  229  stream is much larger. In splitting the CO2 rich stream, the lean loading of the solvent stream into  230  the absorber increases from 0.27 to 0.3 mol CO2/mol solvent. This is because some of the overflow  231  from the solid‐liquid separator is returned directly to the absorber without being regenerated. As a  232 

consequence, the working capacity reduces from 0.16 mol CO2/mol solvent to 0.12 mol CO2/mol. To 

233 

achieve  the  fixed  recovery  rate  of  90%  CO2,  without  increasing  the  size  of  the  absorber,  a  much 

234 

larger  solvent  flowrate  is  required.  Although  the  lower  pH  from  the  slurry  stream  reduces  the  235 

absorption and vaporization duty for this scenario, the larger solvent stream flow rate offsets any  236 

benefits. The results also  show that for the SLS  case, there is no reduction in the  condenser duty  237 

compared to the Baseline case.  238 

In  the  CRB‐SLS  configuration,  in  combining  the  effects  of  the  previous  two  configurations,  it  is  239 

expected that the additive effects should result in a configuration with the lowest reboiler duty. The  240 

results show a reduction of 14% relative to the Baseline case, and 1.5% relative to the CRB and SLS  241 

cases.  The  lower  reboiler  duty  arises  from  the  reduction  in  the  sensible  heat  component  of  the  242 

regeneration energy (because the inlet streams to the stripper are 2ºC hotter than in the Baseline  243 

case)  together  with  the  lower  vaporization  duty.  Additionally,  the  heat  duties  of  the  condenser,  244 

cross‐heat exchanger and dissolution heat exchanger for this configuration are also the lowest of all  245 

(19)

19

cases.  The  heat  duty  reductions  achieved  for  the  dissolution  heat  exchanger  and  cross  heat  246  exchanger observed in the CRB‐SLS configuration occur due to the supernatant recycle and are the  247  same as those for the SLS case. Similarly, the reduction in the condenser duty is driven by the same  248  enhanced condensation and lower boil‐up effects as observed in the CRB case.  249  Figure 10 and Figure 11 show the temperature profile and steam mass flowrate in the stripper for  250  the four configurations respectively. The figures show that temperature profile of the CRB and CRB‐ 251  SLS cases varies significantly along the stripper and are largely determined by the cooling effect of  252 

the  cold  rich  bypass,  where  lower  temperatures  are  obtained  for  three  fourths  of  the  stripper  253  column. The results suggest that the operation of the stripper and its process variables are closely  254  dictated by the use of a CRB which influences the reduction in the vaporisation duty, while the use  255  of the hydrocyclone primarily impacts the sensible heat.  256    257  Figure 10 Temperature profile of the liquid phase in the stripper for the four configurations  258  75 85 95 105 115 Condenser 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Re boiler [ºC] Stage number Baseline CRB SLS CRB/SLS Cold bypass fed  here

(20)

20 259  Figure 11 Steam mass flowrate profile for each of the four configurations 260  261  3.3. Economic evaluation 262  The capture costs for the different process configurations are summarized in Table 5 and Figure  263  12. The amount of CO2 avoided and avoided cost presented in Table 5 includes the costs and energy  264  consumption for CO2 compression to 110 bar.   265    266    267    268    269    270  5 10 15 20 25 30 35 Condenser 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Re boiler H2O [kg/s] Stage number Baseline CRB SLS CRB/SLS

(21)

21 Table 5 Summary of economic results for potassium taurate absorption process  271  Economic parameter  Baseline  CRB  SLS  CRB‐SLS  Total capital cost for absorption process only [$/kW (Net power)]   $1,308   $1,273   $1,455   $1,407   Total capital cost for absorption + compression [$/kW (Net power)]   $1,430   $1,392   $1,573   $1,524   Total operating cost for the absorption process [$/kWh]   $32   $29   $29   $28  Total operating cost for the absorption process + compression [$/kWh]   $37   $34   $34   $33  CO2 avoided for absorption + compression [million t/yr]  1.78  1.84  1.87  1.88  Energy penalty [MWe]  149.5   139.5  135.2  134.3  $/t CO2 avoided (without compression)  61.5  56.9  58.6  57.3 

$/t CO2 avoided (with CO2 compression)   76.4  70.9  72.8  71.3 

  272  Figure 12 Cost breakdown of the four potassium taurate configurations  273    274  0 10 20 30 40 50 60 70 Baseline CRB SLS CRB‐SLS USD/ t avoided  Stripp Set up costs Stripp Operating costs Stripp Cooling &  heating Stripper Absorber Miscellaneous Blower and pumps Hydrocyclone 

(22)

22

The  economic  results  show  that  the  configuration  with  the  lowest  cost  is  the  CRB.  This  275 

configuration  has  costs  5%  lower  than  the  Baseline  because  of  the  lower  energy  penalty  and  276 

subsequent  higher  CO2  avoided.  Although  the  SLS  and  CRB‐SLC  configurations  have  lower  energy 

277 

penalties and higher CO2 avoided than the CRB configuration, their overall avoided costs are higher. 

278 

This  is  because  for  these  cases,  higher  total  capital  costs  offset  any  cost  benefits  of  the  reduced  279 

energy  penalties  and  lower  operating  costs.  The  higher  capital  costs  arise  due  to  additional  280 

equipment such as  the hydrocyclone  and  the larger cross‐heat  exchanger needed from the larger  281  solvent flowrate. The economic results also suggest that although the CRB‐SLS configuration results  282  in better performance compared to the Baseline, economically it is not competitive.   283  Table 6 presents the change in capital cost for the three process modifications in greater detail,  284  relative to the Baseline case. The results show that for all three configurations, the capital cost of  285  the cross heat exchanger is much higher than in the Baseline, and is particularly so for the SLS case.  286  The increase occurs because the cross heat exchanger unit for these cases requires a much larger  287  surface area relative to the Baseline case. The increase in area needed is the result of the reduction  288  of the temperature driving force of the streams entering the unit. This reduction is substantial in the  289  SLS case, where the cross heat exchanger is 50% larger, with the increase in the heat transfer area  290  requirements caused by the larger solvent flowrates (Table 4). For the CRB case, this increase is 12%  291  and is needed to compensate for the lower flowrate in the cold side.   292  The largest capital cost reductions occur for the condenser and reboiler for the CRB and CRB/SLS  293 

cases,  however  the  reverse  is  true  for  the  SLS  where  an  increase  in  capital  cost  relative  to  the  294  Baseline case is observed. An important feature of the stripper inlet temperature is how it affects  295  the reboiler and condenser duties. The hotter the inlet, the less sensible heat must be provided by  296  the reboiler. However, hotter inlet temperatures lead to higher stripping steam vaporisation rates,  297 

which  lead  to  an  increase  in  the  condenser  duty.  This  occurs  because  the  stripping  steam  cannot  298 

benefit  as  much  for  condensation  from  a  hotter  (compared  to  the  baseline  case)  down‐flowing  299 

solvent. This is exemplified in the case of the SLS, where the reboiler and condenser are markedly  300 

affected in opposite directions. While the reboiler duty is decreased by 14%, the condenser duty is  301 

(23)

23 increased by 9%. This trade‐off of duties is unique to the SLS case, as the enhanced condensation of  302  the cases with a CRB negates any vaporisation due to higher temperatures into the stripper while  303  simultaneously leading to lower reboiler duties. The opposite effect in the duties in the SLS case is  304 

one  instance  where  hotter  temperatures  for  the  CO2  rich  stream  into  the  stripper  are  desired,  as 

305 

the economic results suggest  that it is reductions in the LP steam what should be sought, even if  306 

this leads to increased cooling water consumption in the condenser.  307 

Minor  capital  cost  reductions  for  the  alternate  configurations  relative  to  the  Baseline  case  are  308 

also  observed  for  the  dissolution  heat  exchanger,  coolers,  and  pumps;  primarily  resulting  from  309  lower solvent flowrates passing through these units.   310    311  Table 6 Changes in the capital cost for the three configuration relative to the Baseline.  312  CAPEX  Process block  Unit  Percentage change relative to Baseline  CRB  SLS  CRB/SLS  Heating and cooling  Cross heat exchanger  12%  29%  7%  Dissolution heat exchanger  ‐  ‐8%  ‐8%  Cooler  ‐  ‐4%  2%  Stripper  Condenser  ‐49%  22%  ‐51%  Reboiler  ‐7%  ‐8%  ‐8%  Pumps  CO2 rich stream pump  ‐  4%  4%  CO2 lean stream pump  ‐  ‐10%  ‐11%  Total CAPEX   ‐  15%  12%    313  Table 7 shows the change in operating cost for the three process modifications, relative to the  314 

(24)

24 Baseline case. The analysis shows that the main reductions in operating costs for the CRB, SLS and  315  CRB‐SLS cases generally occur because less cooling water is needed in the coolers and condenser,  316  and less steam is required for solvent regeneration in the reboiler. Overall, the operating costs are  317  about 6% to 8% lower than the Baseline, or $3‐4/kWh lower.   318    319  Table 7 Changes in the operating cost for the three configuration relative to the Baseline  320  OPEX 

Process block  Unit  Consumable  

Percentage change  

CRB  SLS  CRB/SLS 

Absorber  Absorber vessel  Water makeup  ‐  ‐50%  ‐50% 

Heating and cooling  Dissolution heat exchanger  LP steam  2 %  ‐13%  ‐12%  Cooler  Cooling water  18%  ‐5%  5%  Stripper  Condenser  Cooling water  ‐62%  9%  ‐70%  Reboiler  LP steam  ‐12%  ‐13%  ‐14%  Pumps  CO2 rich stream pump  Electricity  ‐  4%  4%  CO2 lean stream pump  Electricity   ‐  ‐9%  ‐9%  Fixed operating costs  ‐  14%  11%  Total OPEX   ‐6%  ‐6%  ‐8%    321 

3.4. Comparison with MEA

322 

Compared  to  an  absorption  process  using  MEA  solvent,  the  energy  penalty  of  the  baseline  323  potassium taurate system at 29% is similar to that of a non‐optimised MEA process of 27% (Li et al.,  324  2016). As with the MEA process, the largest component of the energy usage in the potassim taurate  325  system is the reboiler (accounting for 75% of the total energy penalty) and the CO2 compressor (at  326 

(25)

25

23% of the total), while for the MEA process the breakdown is about 58% and 30% respectively (Li  327 

et  al.,  2016).  In  the  literature,  typical  costs  for  MEA  solvent  CO2  avoided  range  from  US$62.0  to 

328 

US$95.2/tonne CO2 (Li et al., 2016, NETL, 2015, NETL, 2010, Raynal et al., 2011); with the wide range 

329 

in  values  being  due  to  different  capital  cost  methodologies,  process  boundaries  and  economic  330 

assumptions.  Using  the  same  economic  assumptions  as  this  study,  the  estimated  cost  for  the  331 

baseline  MEA  process  from  the  study  by  Li  et  al  (2016)  is  $72/t  CO2  avoided,  which  is  slightly 

332 

cheaper  than  the  estimated  costs  for  the  potassium  taurate  system  in  this  paper.  This  difference  333 

arises because of the smaller reboiler duty (4 GJ/t of CO2) and solvent flowrate for the MEA system. 

334 

With regards to the capital cost estimates, for the potassium absorption processes these range from  335 

$1,308/kW  for  the  baseline  to  $1,455/kW  for  the  SLS  case.  Similar  values  for  capital  cost  of  336  $1,357/kW have been obtained for a baseline (non‐optimised) MEA (Li et al., 2016).   337  However, the contribution of different process blocks to the total cost is significantly different for  338  the two absorption processes. As shown in Errore. L'origine riferimento non è stata trovata., the  339  largest differences are in the compressor, stripper, heating and cooling process blocks.   340    341  Figure 13 Breakdown in costs for the baseline KTau capture costs and an MEA process  342  0% 20% 40% 60% 80% 100% This study Li et al 2016 Total   Capital  C ost Misc. Compressors Pumps and blowers Heating and cooling Stripper Absorber

(26)

26

For the MEA process (based on the breakdown in capital cost as detailed in Li et al. (2016), the  343 

largest  cost  component  is  for  the  compressor  which  comprises  40%  of  the  total  equipment  bare  344  erected cost (BEC). In this study, the compression makes up less than 15%. In contrast, the stripper  345  contributions and heating and cooling blocks are much larger for the potassium taurate system. In  346  this study, a very large solvent flowrate is required due to the small working capacity of the solvent  347  (0.12 mol CO2/mol solvent), which results in very large and more expensive cross heat exchangers  348 

being  needed.  The  stripper  for  the  potassium  taurate  system  is  also  higher  and  wider  at  17.6m  x  349 

16.6m compared to 7m x 9.5m for the MEA system in Li et al. 2016. In terms of the cost breakdown,  350 

the main difference between the two absorption processes lie in the heating and cooling block. In  351 

the  MEA  process,  this  system  accounts  for  about  4%  of  the  total  capture  cost,  while  in  the  352 

potassium taurate process it accounts for 10%. The larger cost component arises because the lower  353 

capacity of the potassium taurate solvent, which is 0.10 mol CO2/mol solvent smaller than that of 

354 

MEA,  leads  to  a  larger  solvent  flowrate  being  required.  A  very  large  cross  heat  exchanger  is  also  355  required, resulting in high costs both in absolute terms and on a per tonne of CO2 avoided basis.   356  The costs estimates presented in this paper for the potassium taurate system are indicative Nth‐ 357  of‐a‐kind values with a 30% error margin. Such Nth‐of‐a‐kind costs will be significantly lower than  358 

first‐of‐kind  plant  costs  because  technology  learning  will  significantly  reduce  the  capital  and  359 

operating cost. Furthermore, it should be noted that all costs contain uncertainties due to changes  360 

in  factors  such  as  exchange  rate,  fuel  costs  and  labour  rates.  As  a  consequence  of  these  361 

uncertainties,  if  capital  costs  for  the  baseline  potassium  taurate  system  is  20  %  higher  than  the  362  estimate, the capture cost for the process would likely increase by six percent or $4/t CO2 avoided.  363  Similarly, if the operating costs varied by 20%, through higher fuel or steam cost, the capture cost  364  for the baseline process would increase by almost 15% or $11/t CO2 avoided.   365    366 

4. Conclusion 

367 

This  paper  presents  an  evaluation  of  the  performance  and  cost  of  three  alternate  process  368 

(27)

27

configurations for post‐combustion absorption using a precipitating potassium taurate solvent. The  369 

Baseline configuration was modified to include a cold‐rich‐bypass and/or solid‐liquid‐separator. By  370 

implementing  these  process  changes,  the  regeneration  duty  for  the  process  reduces  by  371 

approximately 12% to 14%, with the flow on effect of lowering operating costs.  While a solid‐liquid‐ 372 

separator  is  beneficial  for  performance,  if  no  changes  to  the  absorber  are  undertaken,  then  the  373  increase in capital costs due to the addition of the hydro‐cyclone offsets any cost reductions from  374  lower regeneration duties. The configuration resulting in the lowest capture cost was the cold‐rich‐ 375  bypass, as lower operating costs were realized without the compromise of higher capital costs.   376  In evaluating the different ratios of cold‐rich‐bypass fraction into the stripper, it was found that a  377  split of 0.12 of the cold CO2 rich solvent being sent to the stripper resulted in the lowest reboiler  378 

and  condenser  duties.  Further  increases  in  the  split  ratios  were  found  to  make  no  further  379 

improvements in the performance.   380 

The  techno‐economic  analysis  of  the  different  process  configurations  for  potassium  taurate  381 

absorption  presented  this  paper  provides  a  high  level  assessment  highlighting  areas  of  possible  382 

performance  improvements  and  cost  reductions.  In  this  study,  the  working  capacity  and  the  383 

corresponding solvent flowrates were  not optimized. Further studies optimizing  the absorber and  384  stripper designs, coupled with investigating heat integration opportunities for these configurations  385  would be worthwhile. Additional experimental studies to obtain more detailed data of fundamental  386  solvent characteristics for the process simulation would also be valuable, as well as investigating the  387 

impact  of  alternate  configurations  such  as  absorber  inter‐cooling  on  the  absorption  and  388 

precipitation process.   

(28)

28

5. References 

390  Al Juaied, M. & Whitmore, A. 2009. Realistic costs of carbon capture. Energy Technology Innovation  391  Policy Research Group, Belfer Center for Science and International Affairs, Harvard Kennedy  392  School of Government, Harvard University, Cambridge, MA (United States)  393  Aronu, U. E., Ciftja, A. F., Kim, I. & Hartono, A. 2013. Understanding Precipitation in Amino Acid Salt  394  systems at Process Conditions. Energy Procedia, 37, 233‐240.  395  Aspentech 2014. ASPEN Plus® Guidelines, Burlington, MA, AspenTech.  396  Brouwer, J., Feron, P. & Ten Asbroek, N. Amino‐acid salts for CO2 capture from flue gases.  Fourth  397  annual conference on carbon capture & sequestration, 2005.  398  Eisenberg, B. & Johnson, R. R. 1979. Amine regeneration process. Patent No. US 4152217 A1.  399 

Feron,  P.  2016.  Absorption‐Based  Post‐Combustion  Capture  of  Carbon  Dioxide,  Woodhead  400 

Publishing.  401 

Han,  X.‐W.,  Zhou,  C.‐R.  &  Shi,  X.‐H.  2012.  Determination  of  specific  heat  capacity  and  standard  402  molar combustion enthalpy of taurine by DSC. Journal of thermal analysis and calorimetry,  403  109, 441‐446.  404  Ieaghg 2014. Techno Economic evaluation of different Post Combustion CO2 Capture Process Flow  405  Sheet Modifications. 2014/08.   406  Kohl, A. L. & Nielsen, R. 1997. Gas Purification, Houston, Texas, USA, Gulf Publishing Company, Book  407  Division.  408  Kumar, P., Hogendoorn, J., Feron, P. & Versteeg, G. 2003a. Equilibrium solubility of CO2 in aqueous  409 

potassium  taurate  solutions:  Part  1.  Crystallization  in  carbon  dioxide  loaded  aqueous  salt  410  solutions of amino acids. Industrial & engineering chemistry research, 42, 2832‐2840.  411  Kumar, P., Hogendoorn, J., Timmer, S., Feron, P. & Versteeg, G. 2003b. Equilibrium solubility of CO2  412  in aqueous potassium taurate solutions: Part 2. Experimental VLE data and model. Industrial  413  & engineering chemistry research, 42, 2841‐2852.  414 

Kumar,  P.,  Hogendoorn,  J.,  Versteeg,  G.  &  Feron,  P.  2003c.  Kinetics  of  the  reaction  of  CO2  with  415  aqueous potassium salt of taurine and glycine. AIChE Journal, 49, 203‐213.  416  Lerche, B. M. 2012. CO2 Capture from Flue gas using Amino acid salt solutions. PhD Thesis, Technical  417  University of Denmark.  418 

(29)

29

Li, K., Leigh, W., Feron, P., Yu, H. & Tade, M. 2016. Systematic study of aqueous monoethanolamine  419 

(MEA)‐based  CO2  capture  process:  Techno‐economic  assessment  of  the  MEA  process  and  420 

its improvements. Applied Energy, 165, 648‐659.  421 

Majchrowicz,  M.  E.  2014.  Amino  Acid  Salt  Solutions  for  Carbon  Dioxide  Capture.  Master  Thesis,  422  University of Twente.  423  Majchrowicz, M. E., Brilman, D. W. F. W. & Groeneved, M. J. 2009. Precipitation regime for selected  424  amino acid salts for CO2 capture from flue gases. Energy Procedia, 979‐984.  425  Moioli, S., Ho, M. T. & Wiley, D. E. 2017. Simulation of CO2 Removal by Potassium Taurate Solution.  426  Chemical Engineering Transactions, 57, 1213‐1218.  427  Moioli, S., Ho, M. T., Wiley, D. E. & Pellegrini, L. A. 2018. Thermodynamic modeling of the system of  428  CO2 and potassium taurate solution for simulation of the carbon dioxide capture process.  429  Chemical Engineering Research and Design, 136, 834‐845.  430  Netl 2010. Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants Volume 1: Bituminous Coal and  431  Natural Gas to Electricity. DOE/NETL‐2010/1397.   432  Netl 2015. Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants Volume 1a: Bituminous Coal (PC)  433  and Natural Gas to Electricity Revision 3. DOE/NETL‐2015/1723  434  Raksajati, A., Ho, M. T. & Wiley, D. E. 2016. Understanding the Impact of Process Design on the Cost  435 

of  CO2  Capture  for  Precipitating  Solvent  Absorption.  Industrial  &  Engineering  Chemistry  436 

Research, 55, 1980‐1994. 

437 

Raynal, L., Bouillon, P.‐A., Gomez, A. & Broutin, P. 2011. From MEA to demixing solvents and future  438 

steps,  a  roadmap  for  lowering  the  cost  of  post‐combustion  carbon  capture.  Chemical  439 

Engineering Journal, 171, 742‐752. 

440 

Sanchez‐Fernandez,  E.  2013.  Novel  Process  Designs  to  Improve  the  Efficiency  of  Postombustion  441 

Carbon Dioxide Capture. Technische Universiteit Delft,. 

442 

Sanchez‐Fernandez, E., De Miguel Mercader, F., Misiak, K., Van Der Ham, L., Linders, M. & Goetheer,  443 

E.  2013a.  New  process  concepts  for  CO  2  capture  based  on  precipitating  amino  acids.  444  Energy Procedia, 37, 1160‐1171.  445  Sanchez‐Fernandez, E. & Goetheer, E. L. V. 2011. DECAB: Process development of a phase change  446  absorption process. Energy Procedia, 4, 868‐875.  447  Sanchez‐Fernandez, E., Heffernan, K., Van Der Ham, L., Linders, M. J., Brilman, D. W. F., Goetheer, E.  448 

L.  &  Vlugt,  T.  J.  2014.  Analysis  of  process  configurations  for  CO2  capture  by  precipitating  449 

(30)

30

amino acid solvents. Industrial & Engineering Chemistry Research, 53, 2348‐2361.  450 

Sanchez‐Fernandez, E., Heffernan, K., Van Der Ham, L. V., Linders, M. J., Eggink, E., Schrama, F. N.,  451 

Brilman,  D.  W.  F.,  Goetheer,  E.  L.  &  Vlugt,  T.  J.  2013b.  Conceptual  design  of  a  novel  CO2  452 

capture  process  based  on  precipitating  amino  acid  solvents.  Industrial  &  Engineering  453 

Chemistry Research, 52, 12223‐12235. 

454 

Simons, K., Brilman, W., Mengers, H., Nijmeijer, K. & Wessling, M. 2010. Kinetics of CO2 absorption 

455 

in  aqueous  sarcosine  salt  solutions:  influence  of  concentration,  temperature,  and  CO2 

456 

loading. Industrial & Engineering Chemistry Research, 49, 9693‐9702.  457 

Turton,  R.,  Bailie,  R.  C.,  Whiting,  W.  B.  &  Shaeiwitz,  J.  A.  2008.  Analysis,  synthesis  and  design  of  458 

chemical processes, Pearson Education. 

459 

Vaidya, P. D., Konduru, P., Vaidyanathan, M. & Kenig, E. Y. 2010. Kinetics of carbon dioxide removal  460 

by  aqueous  akaline  amino  acid  salts.  Industrial  &  Engineering  Chemistry  Research,  49,  461  11067‐11072.  462  Van Holst, J., Versteeg, G. F., Brilman, D. W. F. & Hogendoorn, J. A. 2009. Kinetic study of CO2 with  463  various amino acid salts in aqueous solution. Chemical Engineering Science, 64, 59‐68.  464  Versteeg, G. F., Kumar, P. S., Hogendoorn, J. A. & Feron, P. H. M. 2003. Method for absorption of  465  acid gases.  466  Wei, C.‐C., Puxty, G. & Feron, P. 2014. Amino acid salts for CO 2 capture at flue gas temperatures.  467  Chemical Engineering Science, 107, 218‐226.  468  Wei, S. C.‐C., Puxty, G. & Feron, P. 2013. Amino acid salts for CO2 capture at flue gas temperatures.  469  Energy Procedia, 37, 485‐493.  470    471 

Riferimenti

Documenti correlati

The content of chlorophyll and carotenoid in the peel was significantly higher than that of the outer yellow and black composite paper bag, and the white single layer paper bag

product gas, selecting air-dried pine wood chips as gasification feedstock, a lot of experimental work is completed in gasifier by altering the operation

The C n values of the V type vane and winglet had obvious advantage compared with the plate vane in upstream side of the rotor, and the positive and negative maximum C n

system of adiponectin (ADN), an insulin-sensitizing and anti- inflammatory adipokine, in tissues known to be the target of chronic diseases associated to obesity

Oltre alla simulazione energetica e come testimoniato dai progetti qui raccolti, sono inclusi atri aspetti tra cui quelli del comfort, dell’illuminamento e della ventilazione

The costs differences under different temperatures demonstrate that the temperature has impacts on the process economics and it should be carefully considered

The results indicate that freeze dried process slightly increased the cellulose I α amount in the BC film, suggesting that the dried process would affect the formation of

In the nonstationary process, the spatial scales of concentration, temperature and velocity increase, which leads to a decrease in the viscosity forces and, as is